background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

EKONOMETRIA 

WYKŁADY 2009/2010 

 

 

 

Przedmiot i cel ekonometrii 

Pawłowski (1978): Ekonometria jest nauką o metodach badania ilościowych prawidłowości występujących w 
zjawiskach  ekonomicznych,  za  pomocą  odpowiednio  wyspecjalizowanego  aparatu  matematyczno-
statystycznego. 
 
Chow  (1995):  Ekonometria  jest  nauką  i  sztuką  stosowania  metod  statystycznych  do  mierzenia  relacji 
ekonomicznych. 
 
Z  tych  definicji  wynika,  że  ekonometria  zajmuje  się  analizą  ekonomicznych.  Ze  względu  na  złożonośd  tych 
zjawisk  i  skomplikowany  charakter  powiązao  między  nimi,  zachodzi  koniecznośd  stosowania  metod 
ilościowych. 
 
Celem  ekonometrii  jest  analiza  ilościowa  systemu  ekonomicznego  i  w  konsekwencji  dostarczanie 
decydentom informacji potrzebnych do przewidywania i sterowania procesami gospodarczymi. 
 
Model  ekonometryczny  –  jest  podstawowym  narzędziem  w  ekonometrii,  wykorzystywanym  do  analizy 
zależności  zachodzących  między  zjawiskami.  Stanowi  on  formalną  konstrukcję,  która  za  pomocą 
pojedynczego równania bądź układu równao opisuje zasadnicze powiązania 
pomiędzy rozpatrywanymi zjawiskami ekonomicznymi (Pawłowski). 
 
Ogólna postad modelu: 
 
 

𝑌 = 𝑓 𝑋

1

, 𝑋

2

, … , 𝑋

𝑘

, 𝜀  

 
 
𝑌 – zmienna objaśniana modelu 
 
𝑋

1

, 𝑋

2

 – zmienne objaśniające 

 
𝜀 – składnik losowy 
 
𝑓  –  postad  analityczna  funkcji  obrazującej  zależnośd  pomiędzy  zmienną  objaśnianą,  a  zmiennymi 
objaśniającymi oraz składnikami losowymi. 
 
 
 
Rodzaje danych statystycznych 
 

I. 

Dane przekrojowe (𝑦

𝑖

, 𝑖 = 1, 2, … , 𝑁). Dotyczą zbioru obiektów ekonomicznych (np. przedsiębiorstw) 

w jednej jednostce czasu. 

II. 

Szeregi  czasowe  (𝑦

𝑡

, 𝑡 = 1, 2, … , 𝑇).  Dotyczą  zbioru  obiektów  ekonomicznych  w  kolejnych 

jednostkach czasu z ustalonego przedziału czasowego. 

III. 

Dane panelowe (𝑦

𝑖𝑡

, 𝑖 = 1, 2, … , 𝑁; 𝑡 = 1, 2, … , 𝑇). Dotyczą zbioru obiektów w kolejnych jednostkach 

czasu. 

 
 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

zmienne

endogeniczne

nieopóźnione

objaśniane

opóźnione

egzogeniczne

nieopóźnione

opóźnione

nieobjaśniane

Rodzaje zmiennych w modelu 
 
Zmienne endogeniczne – zjawisko wyjaśniane przez model 
 
Zmienne egzogeniczne – zjawisko nie wyjaśniane przez model 
 
Zjawiska endogeniczne i egzogeniczne mogą byd opóźnione lub nieopóźnione (bieżące). 
 
Zmienne  objaśniane  –  wyjaśniane  przez  zmienne  objaśniające  w  równaniach modelu,  w  ich  roli  występują 
nieopóźnione zmienne endogeniczne. 
 
Zmienne  objaśniające  –  wyjaśniają  zmienne  objaśniane  w  równaniach  modelu,  w  ich  roli  występują 
opóźnione zmienne endogeniczne lub opóźnione i nieopóźnione zmienne egzogeniczne. 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
Składnik losowy i jego własności 
 
Składnik  losowy  uwzględniany  jest  w  modelu,  by  wyjaśnid  rozbieżnośd  pomiędzy  zaobserwowanymi 
metodami  zmiennej  objaśnianej,  a  wartościami  teoretycznymi  wynikającymi  z  teoretycznej  konstrukcji 
modelu. 
 
Składnik zakłócający jest zmienną losową i charakteryzuje się określonym rozkładem prawdopodobieostwa. 
Składnik  losowy  jest  ważnym  elementem  modelu  ekonometrycznego,  a  własności  jego  rozkładu 
prawdopodobieostwa podlegają dokładnemu badaniu. 
 
 
 
Przyczyny występowania składnika losowego 
 

  błąd specyfikacji, czyli pominięcie istotnej zmiennej lub włączenie zmiennej nieistotnej 

  błąd aproksymacji, czyli przyjęcie niewłaściwej postaci analitycznej funkcji błąd pomiaru zmiennych 

ekonomicznych 

  czynniki losowe wpływające na zmienną endogeniczną i wynikający z tego losowy charakter 

 
 
 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

Klasyfikacja modeli ekonometrycznych 
 

I. 

Ze względu na liczbę równao w modelu 

a.  jednorównaniowe 
b.  wielorównaniowe 

 

II. 

Ze względu na postad analityczną 

a.  liniowe 
b.  nieliniowe, sprowadzalne do liniowych 
c.  nieliniowe, niesprowadzalne do liniowych 

 

III. 

Ze względu na udział czynnika czasu 

a.  statyczne, nie uwzględniające czynnika czasu, w których nie występuje zmienna czasowa ani 

zmienne opóźnione 

b.  dynamiczne,  uwzględniające  czynnik  czasu,  w  których  występują  zmienna  czasowa  lub 

zmienne opóźnione 

 

IV. 

Ze względu na charakter poznawczy 

a.  przyczynowo-skutkowe,  opisowe,  wyrażające  związki  przyczynowo-skutkowe  pomiędzy 

zmiennymi 

b.  symptomatyczne, równanie lub częśd równania nie ma interpretacji przyczynowo skutkowej, 

w  której  zmiennymi  objaśniającymi  są  zmienne  skorelowane  w  sensie  statystycznym  ze 
zmiennymi objaśniającymi 

c.  tendencji rozwojowej, trendu, w których rolę zmiennej objaśniającej pełni zmienna czasowa 

 
 
Etapy budowy modelu ekonometrycznego 
 

I. 

Określenie celu i zakresu badania 

 

II. 

Specyfikacja modelu 

a.  określenie badanego zjawiska – zmiennej endogenicznej 
b.  dobór zmiennych objaśniających spośród czynników wpływających na zmienną objaśnianą 
c.  wybór  postaci  analitycznej,  czyli  określonej  funkcji  matematycznej,  wyrażającej    zależnośd 

między zmienną objaśnianą a  zmiennymi objaśniającymi 

 

III. 

Zebranie i opracowanie danych statystycznych 

 

IV. 

Szacowanie parametrów modelu 

 

V. 

Weryfikacja modelu pod względem formalnym (spełnienie założeo) oraz merytorycznym 

 

VI. 

Praktyczne  zastosowanie  modelu,  a  więc  wykorzystywanie  go  do  analizy  ekonomicznej  i 
prognozowania 

 
 
Prognozowanie na podstawie modeli ekonometrycznych 
 
Prognozowanie  ekonometryczne  prowadzone  jest  na  podstawie  modelu  wyjaśniającego  kształtowanie  się 
badanej  zmiennej  endogenicznej.  Punktem  wyjścia  jest  dobór  odpowiedniego  modelu.  Do  najczęściej 
wykorzystywanych modeli zaliczamy: 
 

a.  klasyczne modele tendencji rozwojowej 
b.  jednorównaniowe modele typu przyczynowo-skutkowego 
c.  modele symptomatyczne o charakterze autoregresyjnym 
d.  adaptacyjne 
e.  wielorównaniowe 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

Zastosowanie  klasycznych  modeli  tendencji  rozwojowej  polega  na  ekstrapolacji  funkcji  trendu  𝑓(𝑡).  W  tej 
metodzie wymagane jest przyjęcie założenia o stabilności przyjętej lub oszacowanej funkcji trendu, tak aby 
jej postad analityczna i parametry nie uległy istotnej  prognozy obarczone są dużymi błędami. 
 
Jednorównaniowe  modele  przyczynowo-skutkowe  pozwalają  na  budowę  średnio  i  długookresowych 
prognoz. Ich przydatnośd zależy od wyników etapów cząstkowych. Prawidłowo przeprowadzone etapy dają 
możliwośd uzyskania trafnych prognoz. 
 
Modele  symptomatyczne  o  charakterze  autoregresyjnym  wykorzystywane  są,  gdy  występują  problemy 
związane z doborem zmiennych objaśniających. Są one podstawą budowy prognoz krótkookresowych. 
 
Modele  adaptacyjne  znajdują  zastosowanie  w  sytuacji,  gdy  spełnione  są  założenia  o  niezmienności 
mechanizmu  rozwojowego  badanych  zjawisk  dla  modeli  tendencji  rozwojowej  i  modeli  przyczynowo-
skutkowych. Charakteryzują się dużą elastycznością i możliwościami dostosowawczymi. 
 
Modele  wielorównaniowe  są  stosowane  w  przypadku  zjawisk  złożonych,  które  charakteryzują  się 
wielokierunkowymi powiązaniami. Stanowią one podstawę głównie prognozowania makroekonomicznego. 
 

Linowy model ekonometryczny 

 

𝑌 = 𝛼

0

+ 𝛼

1

𝑋

1

+ 𝛼

2

𝑋

2

+   … +   𝛼

𝑘

𝑋

𝑘

+ 𝜀 

 

𝑌 – zmienna objaśniana 

𝑋

1

, 𝑋

2

, … , 𝑋

𝑘

 – zmienne objaśniające 

𝜀 – składnik losowy 

𝛼

0

, 𝛼

𝑎

, … , 𝛼

𝑘

  –  parametry  strukturalne,  wyrażające  liniowy  wpływ  zmiennych  objaśniających  na  zmienną 

objaśnianą 

 

Dobór zmiennych objaśniających 

W  metodach  doboru  zmiennych  punkt  wyjścia  stanowi  zbiór  potencjalnych  zmiennych  objaśniających 
(𝑋

1

, 𝑋

2

, … , 𝑋

𝑘

). 

Z tego zbioru wybierany jest podzbiór zmiennych, którego elementy będą charakteryzowały się: 

  wysokim stopniem zmienności 

  silnym skorelowaniem ze zmienną objaśnianą 

  słabym  skorelowaniem  między  sobą  zmiennych  w  celu  wyeliminowania  zjawiska  powtarzania  się 

informacji 

  silnym  skorelowaniem  ze  zmiennymi  nie  wchodzącymi  do  zespołu  diagnostycznego,  których  są 

reprezentantami 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

Wstępną ocenę przydatności zmiennych stanowi analiza stopnia ich zmienności. Selekcję zmiennych w tym 
zakresie  przeprowadza  się  przy  pomocy  współczynnika  zmienności,  który  obliczany  jest  zgodnie  z 
następującym wzorem: 

 

𝑉

𝑖

=

𝑆(𝑥

𝑖

)

𝑥 

𝑖

 (𝑖 = 1, 2, … , 𝑚) 

𝑥 

𝑖

 – średnia arytmetyczna 

𝑆(𝑥

𝑖

) – odchylenie standardowe zmiennej 𝑥

𝑖

 

 

Ze zbioru potencjalnych zmiennych objaśniających eliminuje się te, dla których wielkośd współczynnika jest 
mniejsza od przyjętej z góry wartości krytycznej 𝑉′. Warunek ten zapisujemy w poniższy sposób: 

𝑉

𝑖

< 𝑉′ 

Z kolei zmienne, dla których współczynnik jest większy od wartości krytycznej poddawane są dalszej analizie. 

 

Stopieo korelacji pomiędzy zmiennymi ocenia się na podstawie współczynnika korelacji. Wzór na obliczanie 
współczynnika korelacji liniowej pomiędzy zmiennymi 𝑋 i 𝑌 jest następujący: 

 

𝑟

𝑥𝑦

=

𝑐𝑜𝑣(𝑥, 𝑦)
𝑆 𝑥 𝑆(𝑦)

=

 (𝑥

𝑖

− 𝑥 )(𝑦

𝑖

− 𝑦 )

  (𝑥

𝑖

− 𝑥 )

2

 (𝑦

𝑖

− 𝑦 )

2

 

 

Współczynnik korelacji zestawia się w wektor korelacji 𝑹

𝑜

 oraz macierz korelacji 𝑹 o postaci 

 

𝑹

𝑜

=  

𝑟

1

𝑟

2

𝑟

𝑚

         𝑹 =  

1

𝑟

11

𝑟

1𝑛

𝑟

21

1

𝑟

2𝑛

𝑟

𝑚1

𝑟

𝑚 2

1

  

 

gdzie: 

𝑟

𝑖

 – współczynnik korelacji między zmiennymi 𝑋

𝑖

 i 𝑌 

𝑟

𝑖𝑗

 – współczynnik korelacji między zmiennymi 𝑋

𝑖

 i 𝑋

𝑗

 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

Metoda wskaźników pojemności informacyjnej Hellwiga 

Rozpatruje  się  wszystkie  kombinacje  potencjalnych  zmiennych  objaśniających,  których  liczba  wynosi  2

m

-1. 

Dla każdej  kombinacji 𝐶

𝑠

 (𝑠 = 1, 2, … , 2

𝑚

− 1) oblicza się indywidualną pojemnośd informacyjną nośników 

wchodzących w jej skład wg wzoru: 

𝑕

𝑠𝑗

=

𝑟

𝑗

2

1+ 

 𝑟

𝑖𝑗

 

𝑖𝜖 𝐶𝑠

𝑖≠𝑗

 

 

lub 

 

𝑕

𝑠𝑗

=

𝑟

𝑗

2

 

 𝑟

𝑖𝑗

 

𝑖𝜖 𝐶𝑠

 

Następnie wyznacza się integralną pojemnośd informacyjną dla wszystkich kombinacji 𝐶

𝑠

, zgodnie ze wzorem 

𝐻

𝑠

=   𝑕

𝑠𝑗

𝑗 ∈𝐶

𝑠

 

Indywidualne  i  integralne  wskaźniki  pojemności  informacyjnej  unormowane  są  w  przedziale [0,1].  Ich 
wartośd jest tym wyższa, im zmienne objaśniające wchodzące w skład kombinacji są silniej skorelowane ze 
zmienną objaśnianą oraz słabiej skorelowane między sobą. 

Kryterium  doboru  kombinacji  zmiennych  stanowi  wartośd  integralnej  pojemności  informacyjnej,  który  jest 
miarą  zasobu  informacji  dostarczanej  przez  zmienne  objaśniające  o  zmiennej  objaśnianej.  Do  modelu 
przyjmuje się tą kombinację, dla której wskaźnik jest największy, czyli: 

𝐶

𝑜𝑝𝑡

: 𝐻

𝑜𝑝𝑡

= max  {𝐻

𝑠

= 𝑠 =  1, 2, … , 2

𝑚

− 1} 

Jako  miarę  zasobu  informacji  brakującej  do  pełnego  wyjaśnienia  zachowania  zmiennej  objaśnianej  przez 
daną kombinację zmiennych objaśniających można przyjąd dopełnienie integralnego wskaźnika pojemności 
informacyjnej do jedności, co zapisuje się następująco: 

𝐺

𝑠

= 1 − 𝐻

𝑠

 

 

Zaletą metody Hellwiga jest możliwośd wyboru zmiennych spośród wszystkich możliwych kombinacji. Wadą 
jest duża pracochłonnośd, np. przy 6 potencjalnych zmiennych rozpatrywane są 63 kombinacje zmiennych. 

 

Metoda współczynnika korelacji wielorakiej 

Współczynnik korelacji wielorakiej wykorzystywany jest jako miara siły zależności liniowej pomiędzy zmienną 
objaśniającą a zmiennymi objaśniającymi. Oblicza się go wg następującego wzoru: 

𝑅 =    1 −

det (𝐖)

det (𝑹)

 

gdzie: 

𝑾 =  

1

𝑹

0

𝑇

𝑹

𝟎

𝑹

  

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

Współczynnik korelacji wielorakiej przyjmuje wartości z przedziału *0,1+. Jego wartośd bliska jedności oznacza 
silniejszy związek pomiędzy zmiennymi objaśniającymi a zmienną objaśnianą. Jednakże należy pamiętad, że 
wartośd WKW nigdy nie spada, jeśli dodawane są nowe zmienne objaśniające, niezależnie od tego czy mają 
istotny  wpływ  na  zmienną  objaśnianą.  Dlatego  może  byd  on  wykorzystywany  jako  kryterium  doboru 
zmiennych jedynie w przypadku jednakowo licznych kombinacji. Wybiera się kombinacje, dla których jest on 
maksymalny. 

 

Estymacja parametrów modelu liniowego 

Założenia klasycznej metody najmniejszych kwadratów 

1)  𝑦 =   𝑋

𝑎

+ 𝜀 

 

𝒚

[𝑛∗1]

=  

𝑦

1

𝑦

2

𝑦

𝑛

    

𝑿

[𝑛∗ 𝑘+1 ]

=  

1

𝑥

11

𝑥

12

𝑥

1𝑘

1

𝑥

21

𝑥

22

𝑥

2𝑘

1 𝑥

𝑛1

𝑥

𝑛2

⋯ 𝑥

𝑛𝑘

  

 

𝒂

[(𝑘+1)∗1]

=  

𝛼

0

𝛼

1

𝛼

𝑘

  

 

 

𝜺

[𝑛∗1]

=  

𝜀

1

𝜀

2

𝜀

𝑛

  

 

𝒚 – wektor obserwacji na zmiennej objaśnianej 𝑌, zarejestrowane wartości są realizacjami zmiennej 
losowej co oznacza, że jest to wektor losowy 

𝑿  –  macierz  wartości  na  zmiennych  objaśniających,  w  kolejnych  kolumnach  znajdują  się  wartości 
zmiennych  objaśniających:  1,  x

1

,  x

2

,  …  ,  x

k

  ,  pierwsza  kolumna  zawiera  same  jedynki,  co  wynika  z 

uwzględniania wyrazu wolnego 

𝒂 – wektor parametrów strukturalnych modelu 

𝜺 – wektor składników losowych 

𝑛 – liczba obserwacji na zmiennej objaśnianej i zmiennych objaśniających 

𝑘 – liczba zmiennych objaśniających 

 

W zapisie skalarnym model można zapisad w następujący sposób jako układ równao liniowych: 

𝑌

𝑡

= 𝛼

0

+ 𝛼

1

𝑥

𝑡1

+ ⋯ + 𝛼

𝑘

𝑥

𝑡𝑘

+ 𝜀

𝑡

      (𝑡 = 1, 2, … , 𝑛) 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

Każda  zaobserwowana  wartośd  𝑦

𝑡

 (𝑡 = 1, 2, … , 𝑛)  zmiennej  objaśniającej  𝑌  jest  liniową  funkcją 

zaobserwowanych  wartości  𝑥

𝑡1

, … , 𝑥

𝑡𝑘

  zmiennych  objaśniających  𝑥

1

, … , 𝑥

𝑘

  z  dokładnością  do 

składnika losowego 𝜀

𝑡

 

2)  𝑿 jest znaną macierzą nielosową 

Założenie  to  oznacza,  że  zmienne  objaśniające  nie  są  zmiennymi  losowymi.  Dla  znanych  z  góry 
wartości  𝑥

𝑡1

, … , 𝑥

𝑡𝑘

  zmiennych  objaśniających  𝑥

1

, … , 𝑥

𝑘

  dokonuje  się  obserwacji  zmiennej 

objaśniającej 𝑌. 

 

3)  𝑟𝑧  𝑿  =  𝑘 + 1 ≤ 𝑛 

Kolumny  macierzy  𝑿  są  liniowo  niezależne,  czyli  wartości  zmiennych  objaśniających  nie  stanowią 
liniowej  kombinacji  pozostałych  zmiennych.  Dodatkowo  postawiony  jest  warunek  co  do  liczby 
obserwacji, która nie może byd mniejsza od k+1. Przyjęcie tego założenia wymagane jest z uwagi na 
potrzebę wielokrotnego odwracania macierzy 𝑿

𝑇

𝑿. 

 

4)  𝐸  𝜺  =  0 

Wartośd  oczekiwana  wektora  losowego  𝜺  jest  wektorem  zerowym  𝟎

[𝑛∗1]

.  Wartośd  oczekiwana 

odchyleo spowodowanych oddziaływaniem czynników przypadkowych powinna byd równa zero. 

 

5)  𝐷

2

 𝜀  = 𝐸 𝜺𝜺

𝑻

  = 𝜎

2

𝑰 

gdzie: 

𝑰 – macierz jednostkowa stopnia n (ma na przekątnej 1, a na pozostałych miejscach 0) 

𝜎

2

 – wariancja składnika losowego 

𝐷

2

 𝜀   –  macierz  wariancji  i  kowariancji  wektora  składników  losowych  (zwana  w  dalszej  części 

macierzą kowariancji) 

 

Założenie to można podzielid na dwie części: 

a)  𝐷

2

 𝜀

𝑖

  = 𝐸 𝜀

𝑡

2

  = 𝜎

2

𝑰    (𝑡 = 1, 2, … , 𝑛) 

Założenie o jednorodności wariancji składnika losowego. Jednorodnośd oznacza, że wariancja 
składnika losowego jest stała i określona jest jako homoskedastycznośd. 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

Wykłady 2009/2010 

b)  𝑐𝑜𝑣  𝜀

𝑡

, 𝜀

𝑠

  = 𝐸  𝜀

𝑡

, 𝜀

𝑠

  = 0      (𝑡 ≠ 𝑠) 

 

𝑝  𝜀

𝑡

, 𝜀

𝑠

  =

𝑐𝑜𝑣  𝜀

𝑡

, 𝜀

𝑠

 

 𝐷

2

 𝜀

𝑡

  ∗ 𝐷

2

 𝜀

𝑠

 

=

0

𝜎

2

= 0      (𝑡 ≠ 𝑠) 

Założenie  o  braku  autokorelacji  składników  losowych  różnych  obserwacji.  Kombinacje  i 
korelacje  różnych  obserwacji  wynoszą  zero.  Wynika  z  tego,  że  pomiędzy  składnikami 
losowymi poszczególnych obserwacji nie istnieje zależnośd korelacyjna liniowa. 

 

Założenia 1) – 5) są założeniami klasycznej metody najmniejszych kwadratów. 

Założenia  1)  –  4)  powodują,  że  estymator  otrzymany  KMNK  jest  estymatorem  liniowym,  nieobciążonym  i 
zgodnym. Natomiast założenie 5) sprawia, że estymator jest również najefektywniejszy. 

 

Dodatkowo wprowadza się następne założenie: 

6)  𝜺 ~ 𝑁

𝑛

(0, 𝜎

2

𝐼) 

Wektor  składników  losowych  𝜺  ma  n-wymiarowy  rozkład  normalny  i  wartością oczekiwaną  będącą 
wektorem zerowym oraz macierzą kowariancji 𝜎

2

𝐼. 

 

Klasyczna metoda najmniejszych kwadratów 

MNK  polega  na  wyznaczeniu  wektora  ocen  𝒂  parametrów  strukturalnych  𝛼,  w  taki  sposób  aby  suma 
kwadratów  odchyleo  teoretycznych  wartości  zmiennej  objaśniającej  od  empirycznych  wartości  była  jak 
największa. 

𝑦

𝑡

 – empiryczna wartośd zmiennej objaśnianej otrzymana na podstawie badania 

𝑦 

𝑡

 – teoretyczna wartośd zmiennej objaśnianej obliczana jako: 

 

𝑦 

𝑡

= 𝛼

0

+ 𝛼

1

𝑥

𝑡1

+ 𝛼

2

𝑥

𝑡2

+ ⋯ + 𝛼

𝑘

𝑥

𝑡𝑘

     (𝑡 = 1, 2, … , 𝑛) 

 

𝑒

𝑡

 – reszta dla obserwacji t, czyli różnica między wartością empiryczną a teoretyczną zmiennej objaśnianej, 

szacowana wg wzoru: 

𝑒

𝑡

= 𝑦

𝑡

− 𝑦 

𝑡

    (𝑡 = 1, 2, … , 𝑛) 

 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

10 

Wykłady 2009/2010 

Zapis macierzowy równania dla wektora wartości teoretycznych zmiennej objaśnianej oraz wektora reszt: 

𝒚

  = 𝑿𝒂          oraz          𝒆 = 𝒚 − 𝒚

  = 𝒚 − 𝑿𝒂 

 

gdzie: 

𝒚

 

[𝑛∗1]

=  

𝑦 

1

𝑦 

2

𝑦 

𝑛

                 𝒂

[(𝑘+1)∗1]

=  

𝛼

0

𝛼

1

𝛼

𝑘

                  𝒆

[𝑛∗1]

=  

𝑒

1

𝑒

2

𝑒

𝑛

  

 

Funkcję celu 𝑆(𝒂) równą sumie kwadratu reszt zapisujemy następująco: 

 

𝑆 𝒂  = 𝒆

𝑇

𝒆 =  𝒚 − 𝑿𝒂 

𝑻

 𝒚 − 𝑿𝒂  = 𝒚

𝑻

𝒚 − 𝒚

𝑻

𝑿𝒂 − 𝒂

𝑻

𝑿

𝑻

𝒚 + 𝒂

𝑻

𝑿

𝑻

𝑿𝒂 = 𝒚

𝑻

𝒚 − 2𝒂

𝑻

𝑿

𝑻

𝒚 + 𝒂

𝑻

𝑿

𝑻

𝑿𝒂 

 

Warunkiem  koniecznym  istnienia  ekstremum  lokalnego  funkcji  jest  zerowanie  się  wektora  pierwszych 
pochodnych cząstkowych (gradientu): 

𝜕𝑆(𝒂)

𝜕𝒂

= −2𝑿

𝑻

𝒚 + 2𝑿

𝑻

𝑿𝒂 = 0 

 

Po przekształceniach otrzymujemy układ równao, zwany układem równao normalnych: 

𝑿

𝑇

𝑿𝒂 = 𝑿

𝑻

𝒚 

 

Rozwiązując go względem 𝒂 otrzymujemy wzór na estymator MNK: 

𝒂 = (𝑿

𝑻

𝑿)

−𝟏

𝑿

𝑻

𝒚 

 

Warunkiem wystarczającym by uznad go za minimum, jest dodatnio określona macierz drugich pochodnych 
(Hessianu): 

𝜕𝑆

2

(𝒂)

𝜕𝒂𝜕𝒂

𝑻

= 2𝑿

𝑻

𝑿 

 

Ponieważ macierz 𝑿

𝑻

𝑿 jest zawsze dodatnio określona, funkcja 𝑆(𝒂) osiąga w punkcie 𝑎 minimum lokalne. 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

11 

Wykłady 2009/2010 

Estymator wariancji składnika losowego 

Nieobciążonym  i  zgodnym  estymatorem  wariancji  składnika  losowego  𝝈

2

  jest  wariancja  resztowa  zadana 

wzorem: 

𝑆

2

=

 𝒚 − 𝑿𝒂 

𝑻

(𝒚 − 𝑿𝒂)

𝑛 − 𝑘 − 1

=

𝒚

𝑻

𝒚 − 𝒂

𝑻

𝑿

𝑻

𝒚

𝑛 − 𝑘 − 1

=

𝒆

𝑇

𝒆

𝑛 − 𝑘 − 1

=

 

𝒆

𝑡

𝟐

𝑛

𝑡=1

𝑛 − 𝑘 − 1

 

 

Odchylenie standardowe składnika resztowego oblicza się jako pierwiastek z wariancji, według wzoru: 

𝑆 =  𝑆

2

 

 

Odchylenie  standardowe  składnika  resztowego  informuje  o  poziomie  przeciętnego  odchylenia 
zaobserwowanych  wartości  zmiennej  objaśnianej  od  wartości  teoretycznych  tej  zmiennej  wyznaczonych  z 
modelu. 

 

Estymator macierzy kowariancji estymatora 𝒂 parametrów strukturalnych modelu 

Macierz kowariancji estymatora 𝑎: 

𝑫

2

 𝒂  = 𝜎

2

(𝑿

𝑻

𝑿)

−1

 

 

Nieobciążonym i zgodnym estymatorem kowariancji estymatora 𝑎 parametrów strukturalnych modelu jest: 

𝑫

 

𝟐

 𝒂  = 𝑆

2

(𝑿

𝑻

𝑿)

−𝟏

 

 

W macierzy 𝑫

 

𝟐

 𝒂  elementy na głównej przekątnej są wariancjami estymatorów parametrów strukturalnych 

𝑫

 

𝟐

 𝒂

𝒊

 . 

 

Pierwiastki z wariancji estymatorów parametru: 

𝑫

  𝒂

𝒊

  =  𝑫

 

𝟐

 𝒂

𝒊

         (𝑖 = 1, 2, … , 𝑘) 

 

są  odchyleniami  standardowymi  estymatorów  parametrów.  Określa  się  je  mianem  średnich  błędów 
szacunku parametrów modelu i informują one o ile przeciętnie oceny parametrów strukturalnych uzyskane 
na podstawie próby różnią się od nieznanych wartości parametrów w populacji. 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

12 

Wykłady 2009/2010 

Średnie  błędy  szacunku  parametrów  odnoszą  się  do  wartości  bezwzględnej  z  ocen  parametrów  i  w  ten 
sposób oblicza się względne błędy szacunku parametrów: 

𝑾

  𝒂

𝒊

  =

𝑫

  𝒂

𝒊

 

 𝒂

𝒊

 

∙ 100%           (𝑖 = 1, 2, … , 𝑘) 

 

Ustalając  z  góry  kryteria  można  dokonad  oceny  wielkości  błędów  i  na  tej  podstawie  ocenid  jakośd 
oszacowania parametrów. 

 

Miary dopasowania modelu do danych empirycznych 

1.  Współczynnik determinacji, współczynnik zbieżności 

Dla każdej obserwacji (𝑡 = 1, 2, … , 𝑛) można zapisad następującą tożsamośd: 

𝑦

𝑡

− 𝑦  =  𝑦

𝑡

− 𝑦 

𝑡

  + (𝑦 

𝑡

− 𝑦 ) 

 

Po odpowiednich przekształceniach można otrzymad 

 (𝑦

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

=  (𝑦 

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

=  (𝑦

𝑡

− 𝑦 

𝑡

)

2

𝑛

𝑡=1

 

 

 

(𝑦

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

  –  całkowita  zmiennośd  zmiennej  objaśnianej,  suma  kwadratów  odchyleo  wartości 

empirycznych od siebie 

 

(𝑦 

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

 – zmiennośd wyjaśniana przez model, suma kwadratów odchyleo wartości teoretycznych 

od średniej 

 

(𝑦

𝑡

− 𝑦 

𝑡

)

2

𝑛

𝑡=1

 – zmiennośd nie wyjaśniana przez model, suma kwadratów reszt 

 

 

(𝑦 

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

 

(𝑦

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

         

+

 

(𝑦

𝑡

− 𝑦 

𝑡

)

2

𝑛

𝑡=1

 

(𝑦

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

           

= 1 

                  𝑅

2

                            𝜑

2

                          

0 ≤ 𝑅

2

,    𝜑

2

≤ 1 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

13 

Wykłady 2009/2010 

𝑅

2

  –  współczynnik  determinacji;  informuje  jaka  częśd  całkowitej  zmienności  zmiennej  objaśnianej  jest 

wyjaśniana  przez  zmiennośd  zmiennych  objaśniających,  dopasowanie  modelu  jest  tym  lepsze,  im 
współczynnik jest bliższy 1. 

𝑅

2

=

 

(𝑦 

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

 

(𝑦

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

=

𝒂

𝑻

𝑿

𝑻

𝒚 −

1
𝑛 (𝟏

𝑇

𝑦)

2

𝒚

𝑻

𝒚 −

1
𝑛 (𝟏

𝑇

𝑦)

2

= 1 − 𝜑

2

 

 

𝜑

2

 – współczynnik zbieżności; informuje jaka częśd całkowitej zmienności zmiennej objaśnianej nie jest 

wyjaśniana  przez  zmiennośd  zmiennych  objaśniających,  dopasowanie  modelu  jest  tym  lepsze,  im 
współczynnik jest bliższy 0. 

𝜑

2

=

 

(𝑦

𝑡

− 𝑦 

𝑡

)

2

𝑛

𝑡=1

 

(𝑦

𝑡

− 𝑦 )

2

𝑛

𝑡=1

=

𝒆

𝑻

𝒆

𝒚

𝑻

𝒚 −

1
𝑛 (𝟏

𝑇

𝑦)

2

=

𝒚

𝑻

𝒚 − 𝒂

𝑻

𝑿

𝑻

𝒚

𝒚

𝑻

𝒚 −

1
𝑛 (𝟏

𝑇

𝑦)

2

= 1 − 𝑅

2

 

 

Suma  kwadratów  reszt  zależy  od  liczby  zmiennych objaśniających w  modelu  i nigdy  nie  rośnie  (zwykle 
maleje) wraz ze wzrostem liczny zmiennych objaśniających. Dlatego wartośd współczynnika determinacji 
nigdy  nie  będzie  malała  (zwykle  będzie  rosła)  wraz  z  dodawaniem  nowych  zmiennych  objaśniających, 
niezależnie  od  tego  czy  dana  zmienna  istotnie  czy  nieistotnie  wpływa  na  zmienną  objaśnianą. 
Dodatkowo w przypadku małej liczby szacowanych parametrów, suma kwadratów jest mała i powoduje, 
że  obraz  dopasowania  jest  zbyt  optymistyczny  –  w  takich  sytuacjach  stosuje  się  skorygowane  o  liczbę 
stopni swobody współczynniki zbieżności i determinacji. 

𝜑 

2

=

𝑛 − 1

𝑛 − 𝑘 − 1

𝜑

2

                 𝑅 

2

= 1 − 𝜑 

2

= 𝑅

2

𝑘

𝑛 − 𝑘 − 1

(1 − 𝑅

2

 

Wadą  powyższych  współczynników  jest  brak  ich  unormowania,  co  utrudnia  ich  interpretację  i  ocenę 
dopasowania modelu. 

 

2.  Współczynnik zmienności resztowej 

𝑊 =

𝑆
𝑦 

∙ 100% 

 

Informuje  jaki  procent  średniej  wartości  zmiennej  objaśnianej  stanowi  odchylenie  standardowe  reszt 
modelu. Dopasowanie modelu do danych empirycznych jest tym lepsze, im 𝑊 jest bliższy 0. 

 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

14 

Wykłady 2009/2010 

Predykcja na podstawie liniowego modelu ekonometrycznego 

Prognozy  ilościowe  mogą  byd  dwojakiego  rodzaju:  punktowe  lub  przedziałowe.  Prognoza  punktowa  jest 
liczbą  uznaną  za  najwiarygodniejszą  ocenę  wartości  zmiennej  w  okresie  prognozowanym  (zasada 
największego prawdopodobieostwa) lub jest równa wartości oczekiwanej zmiennej prognozowanej (zasada 
predykcji  nieobciążonej).  Prognoza  przedziałowa  jest  przedziałem  liczbowym,  który  ze  z  góry  zadanym 
prawdopodobieostwem (wiarygodnośd prognozy) pokrywa wartośd zmiennej w okresie prognozowanym. 

Prognoza punktowa zmiennej endogenicznej w okresie T wyznacza się wg wzoru: 

 

𝑌

𝑇

= 𝛼 + 𝛼

1

𝑥

1𝑇

+ 𝛼

2

𝑥

2𝑇

+ ⋯ + 𝛼

𝑘

𝑥

𝑘𝑇

 

gdzie 

𝑥

1𝑇

, 𝑥

2𝑇

, … , 𝑥

𝑘𝑇

 – wartości zmiennych objaśniających w okresie T. 

 

Prognozę punktową można również wyznaczyd ze wzoru macierzowego 

𝑌

𝑇

= 𝒙

𝑇

𝑇

𝒂 

gdzie 

𝒙

𝑇

𝑇

=  1 𝑥

1𝑇

𝑥

2𝑇

⋯ 𝑥

𝑘𝑇

  

 

Wartości zmiennych objaśniających w okresie prognozowanym 

W przypadku prognoz wyznaczanych na podstawie modelu ekonometrycznego istotną rzeczą jest, by przyjąd 
właściwe  wartości  zmiennych  objaśniających  w  okresie  prognozy,  ponieważ  przyjęcie  trafnych  wartości 
zmiennych objaśniających w okresie prognozowanym zapewnia najlepszą prognozę zmiennej prognozowanej 
(najbliższą realizacji względnej). 

W  niektórych  przypadkach  wartości  zmiennych  objaśniających  w  okresie  prognozowanym  są  zmiennymi 
decyzyjnymi.  W  tej  sytuacji  ich  wartośd  zależy  od  planów  przyjętych  przez  odpowiednie  podmioty.  Jeżeli 
prognozy  mają  charakter  makroekonomiczny,  wartości  niektórych  zmiennych  objaśniających  ustalane  są 
przez odpowiednie organy rządowe  lub inne  instytucje  centralne. Natomiast  jeżeli prognozowanie odbywa 
się  na szczeblu mikroekonomicznym, poziom niektórych zmiennych objaśniających przyjmowany jest przez 
decydentów odpowiedzialnych za budżetowanie w przedsiębiorstwach. 

Wartości  zmiennych  objaśniających  mogą  byd  również  prognozowane  za  pomocą  innych  modeli 
ekonometrycznych.  W  tym  przypadku  najczęściej  wykorzystywane  są  modele  autoregresyjne  oraz  modele 
tendencji rozwojowej dla tych zmiennych. 

 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

15 

Wykłady 2009/2010 

Modele szeregów czasowych 

Kształtowanie  zjawisk  ekonomicznych  w  czasie  jest  wypadkową  działania  przyczyn  głównych  oraz 
przypadkowych.  W  stosunkowo  długim  okresie  czasu  przyczyny  główne  wpływają  na  zarysowanie  się 
tendencji rozwojowej (trendu) badanego zjawiska. W szczególnym przypadku, gdy długookresowa analiza nie 
dowodzi zarysowania się wyraźnej tendencji, mamy do czynienia ze stałym poziomem zjawiska w czasie. 

Poza  tendencją  rozwojową  na  zmiany  w  poziomie  zjawiska  wpływa  okresowośd.  Wahania  okresowe 
ujawniają się co pewien okres podobnymi co do wielkości zmianami poziomów badanego zjawiska. Odstęp 
czasu,  w  którym  występują  wszystkie  fazy  wahao,  określany  jest  mianem  cyklu.  Najczęściej  występującym 
cyklem  jest  cykl  roczny  i  wtedy  wahania  nazywane  są  wahaniami  sezonowymi.  Z  kolei  wahania 
nieprzypadkowe (losowe) są efektem działania czynników o nieprzewidywalnym charakterze i powodują one 
odchylenia w różnych kierunkach z różną siłą. 

Równanie  opisujące  kształtowanie  się  określonego  zjawiska  jako  funkcję  trendu  nosi  nazwę  modelu 
tendencji rozwojowej. 

 

Model tendencji rozwojowej 

MTR  jest  modelem,  w  którym  rolę  zmiennej  objaśniającej  pełni  zmienna  czasowa  𝑡.  Znajduje  on 
zastosowanie,  gdy  w  szeregu  czasowym  można  wyodrębnid  tendencję  rozwojową  oraz  wahania 
przypadkowe. Postad analityczną tego modelu najczęściej dobiera się na podstawie analizy rozkładu punktów 
empirycznych, odpowiadających zaobserwowanym realizacjom zmiennej objaśnianej w kolejnych okresach w 
układzie współrzędnych. W ten sposób określa się jej  matematyczną funkcję najlepiej pasującą do kształtu 
rozkładu punktów empirycznych. 

Najprostszą postacią modelu jest postad liniowa: 

𝑌 = 𝛼

0

+ 𝛼

1

∙ 𝑡 + 𝜀

𝑡

 

 

Do  oszacowania  parametrów  liniowego  modelu  tendencji  rozwojowej  wykorzystuje  się  następujący 
estymator: 

𝒂 = (𝑻

𝑻

𝑻)

−𝟏

𝑻

𝑻

𝒚 

Weryfikacja MTR odbywa się zgodnie z regułami dotyczącymi modelu ekonometrycznego. 

 

Predykcja na podstawie modelu tendencji rozwojowej 

Ekstrapolacja  funkcji  trendu  może  byd  wykorzystywana  do  sporządzania  prognoz  w  przypadku,  gdy  postad 
analityczna  funkcji  trendu  i  wartośd  jej  parametrów  strukturalnych  w  okresie  𝑇,  na  której  dokonuje  się 
prognozy, nie mogą ulec istotnej zmianie w  porównaniu z okresem, którego dotyczyły informacje liczbowe 
służące  do  oszacowania  funkcji  trendu.  W  przypadku  istotnych  zmian  w  kształtowaniu  się  zjawisk, 
zastosowanie ekstrapolacji trendu może przynieśd duże błędy. 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

16 

Wykłady 2009/2010 

Prognozę punktową zmiennej endogenicznej w okresie 𝑇 wyznacza się wg wzoru: 

𝑦

𝑇

= 𝛼

0

+ 𝛼

1

∙ 𝑇 

 

Miary dokładności predykcji ex ante 

Ostatnim etapem predykcji jest ocena dokładności prognoz. Ocena taka może byd dokonywana na podstawie 
błędów prognozy ex ante. Mierniki te pozwalają na oszacowanie oczekiwanej wielkości odchylenia prognozy 
od rzeczywistej wartości zmiennej prognozowanej. 

W  przypadku  modelu  ekonometrycznego  bezwzględny  błąd  prognozy  punktowej  ex  ante  szacuje  się 
następująco: 

I sposób 

𝐷

𝑇

=  𝑆

2

+ 𝒙

𝑻

𝑻

𝑫

 

𝟐

 𝒂 𝒙

𝑇

= 𝑆 1 + 𝒙

𝑻

𝑻

(𝑿

𝑻

𝑿)

−1

𝒙

𝑇

 

 

𝒙

𝑻

𝑻

=  1 𝑥

1𝑇

𝑥

2𝑇

⋯ 𝑥

𝑘𝑇

  

 

II sposób 

𝐷

𝑇

=    𝑥

𝑖𝑇

2

𝐷

2

 𝛼

𝑖

  + 2     𝑥

𝑖𝑇

𝑥

𝑗𝑇

∙ 𝑐𝑜𝑣 𝛼

𝑖

> 𝛼

𝑗

  + 𝑆

2

𝑗 >𝑖

𝑘−1

𝑖=0

𝑘

𝑖=0

 

 

W  przypadku  modelu  tendencji  rozwojowej,  bezwzględny  błąd  prognozy  punktowej  ex  ante  wyznacza  się 
następująco: 

I sposób 

𝐷

𝑇

= 𝑆 1 +

1
𝑛

+

(𝑇 − 𝑡)

2

 

(𝑡 − 𝑡)

2

𝑛

𝑡=1

 

II sposób 

𝐷

𝑇

=  𝑆

2

+ 𝐷

2

 𝛼

0

  + 𝑇

2

𝐷

2

 𝛼

1

  + 2𝑇 ∙ 𝑐𝑜𝑣 𝛼

𝑖

> 𝛼

𝑗

  

 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

17 

Wykłady 2009/2010 

Ocenę wielkości błędu predykcji przeprowadza się na podstawie względnego błędu prognozy ex ante, który 
oblicza się wg wzoru: 

𝑉

𝑇

=

𝐷

𝑇

𝑦

𝑇

∙ 100% 

 

Ustalając z góry kryteria można dokonad oceny wielkości błędów i na tej podstawie ocenid dopuszczalnośd 
wyznaczonych prognoz. 

 

Modele optymalizacyjne 

Osiągnięcie  określonego  celu  ekonomicznego  wymaga  podjęcia  odpowiednich  decyzji  odnośnie 
zaangażowania  określonych  zasobów.  W  przypadku  wystąpienia  więcej  niż  jednego  wariantu  decyzyjnego 
mówimy o istnieniu problemu decyzyjnego. Decyzja, która jest najlepsza z punktu widzenia przyjętego celu, 
oraz występujących ograniczeo nazywana jest decyzją optymalną. 

Model służący do rozwiązywania problemu decyzyjnego, nazywany jest modelem decyzyjnym lub modelem 
optymalizacyjnym.  Dziedziną  zajmującą  się  rozstrzyganiem  problemów  decyzyjnych  określa  się  mianem 
badao operacyjnych. Ważną klasą modeli optymalizacyjnych są modele programowania matematycznego, a 
w szczególności ich podklasa – programy liniowe. 

Charakterystyczną  cechą  programów  liniowych  jest  występowanie  w  nich  liniowych  warunków 
ograniczających oraz liniowej funkcji celu. Jeżeli w modelach optymalizacyjnych występuje co najmniej jeden 
nieliniowy  warunek  ograniczający  lub  nieliniowa  funkcja  celu,  taki  model  określany  jest  mianem  modelu 
nieliniowego. 

 

Konstrukcja modeli programowania matematycznego 

Zmienne  decyzyjne  𝑥

1

, 𝑥

2

, … , 𝑥

𝑛

  odpowiadają  wielkości  ograniczonych  zasobów,  które  mogą  zostad 

wykorzystane  w  do  osiągnięcia  zamierzonego  celu.  Optymalna  wartośd  tych  zmiennych  ustalana  jest  przy 
rozwiązywaniu  problemu  decyzyjnego.  Dowolny  wektor  n-wymiarowy,  którego  współrzędnymi  są  wartości 
zmiennych decyzyjnych: 

𝒅 =  𝑥

1

𝑥

2

⋯ 𝑥

𝑛

 

𝑇

 

nazywany jest decyzją. 

 

Warunki  ograniczające  są  restrykcjami  nałożonymi  na  zmienne  decyzyjne,  które  wynikają  z  ograniczoności 
zasobów  oraz  zobowiązao  decydentów.  Warunki  ograniczające  dzielą  się  na  warunki  elementarne  i 
nieelementarne. 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

18 

Wykłady 2009/2010 

Warunki elementarne są to warunki typu: 

                𝑥

𝑗

> 0      dla      𝑗 = 1, 2, … , 𝑛

1

 

                𝑥

𝑗

< 0      dla     𝑗 = 𝑛

1

+ 1, 𝑛

1

+ 2, … , 𝑛

2

 

                𝑥

𝑗

∈  ℝ     dla     𝑗 = 𝑛

2

+ 1, 𝑛

2

+ 2, … , 𝑛 

Pozostałe warunki określane są jako warunki nieelementarne. 

 

Warunki nieelementarne są to warunki typu: 

                𝑔

𝑖

 𝑥  ≤ 𝑏

𝑖

      dla       𝑖 = 1, 2, … , 𝑚

1

 

                𝑔

𝑖

 𝑥  ≥ 𝑏

𝑖

      dla       𝑖 = 𝑚

1

+ 1, 𝑚

1

+ 2, … , 𝑚

2

 

                𝑔

𝑖

 𝑥  = 𝑏

𝑖

      dla       𝑖 = 𝑚

2

+ 1, 𝑚

2

+ 2, … , 𝑚 

 

gdzie: 

                𝑔

𝑖

 𝑥  – funkcja określona na wektorze zmiennych decyzyjnych 𝒙. 

 

Zbiór decyzji 𝒅 spełniających warunki ograniczające nazywany jest zbiorem decyzji dopuszczalnych 𝐷. 

Funkcja  celu  𝑓(𝑥)  jest  sformalizowanym  zapisem  celu  do  którego  dąży  decydent  przy  użyciu  posiadanych 
zasobów.  W  procesie  decyzyjnym  dokonywana  jest  optymalizacja  funkcji  celu,  która  polega  na  jej 
maksymalizacji lub minimalizacji, co zapisuje się następująco: 

𝑓(𝑥) → 𝑚𝑎𝑥          lub          𝑓(𝑥) → 𝑚𝑖𝑛 

 

Zadanie programowania matematycznego polega na znalezieniu takiego punktu (punktów) 𝒙

0

 należącego do 

zbioru 𝐷, w którym funkcja 𝑓 osiąga wartośd maksymalną: 

𝐷

𝒐𝒑𝒕

= {𝒙

0

∈ 𝐷:   𝑓(𝑥) ≤ 𝑓(

𝑥∈𝐷

𝒙

0

)} 

lub minimalną: 

𝐷

𝒐𝒑𝒕

= {𝒙

0

∈ 𝐷:   𝑓(𝑥) ≥ 𝑓(

𝑥∈𝐷

𝒙

0

)} 

Punkt (punkty) tworzy zbiór decyzji optymalnych. 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

19 

Wykłady 2009/2010 

Szczególny przypadek zadao programowania matematycznego stanowią zadania programowania liniowego. 
Mamy z nim do czynienia, gdy funkcje 𝑓 oraz 𝑔

𝑖

 dla 𝑖 = 1, 2, … , 𝑚 są liniowe: 

𝑓 𝑥

1

, 𝑥

 2

, … , 𝑥

𝑛

  =   𝑐

𝑗

𝑥

𝑗

𝑛

𝑗 =1

 

𝑔

𝑖

 𝑥

1

, 𝑥

 2

, … , 𝑥

𝑛

  =  

𝑎

𝑖𝑗

𝑥

𝑖

𝑛

𝑗 =1

         dla            𝑖 = 1, 2, … , 𝑚 

 

przy czym 𝑎

𝑖𝑗

 dla 𝑖 = 1, 2, … , 𝑚; 𝑗 = 1, 2, … , 𝑛 są współczynnikami warunków organizacyjnych, a parametry 

𝑐

𝑗

 dla 𝑗 = 1, 2, … , 𝑛 określane są jako współczynniki funkcji celu. 

Każdy program liniowy można sprowadzid do postaci klasycznej 

𝑐

1

𝑥

1

+ 𝑐

2

𝑥

2

+ ⋯ + 𝑐

𝑛

𝑥

𝑛

→ 𝑚𝑎𝑥 

𝑎

11

𝑥

1

+ 𝑎

12

𝑥

2

+ ⋯ + 𝑎

1𝑛

𝑥

𝑛

≤ 𝑏

1

 

𝑎

21

𝑥

1

+ 𝑎

22

𝑥

2

+ ⋯ + 𝑎

2𝑛

𝑥

𝑛

≤ 𝑏

2

 

⋯ 

𝑎

𝑚 1

𝑥

1

+ 𝑎

𝑚 2

𝑥

2

+ ⋯ + 𝑎

𝑚𝑛

𝑥

𝑛

≤ 𝑏

𝑚

 

𝑥

1

+ 𝑥

2

+ ⋯ + 𝑥

𝑛

≤ 0 

Zapis macierzowy postaci klasycznej: 

𝑪

𝑇

𝒙 → 𝑚𝑎𝑥 

𝑨𝒙 ≤ 𝒃 

𝒙 ≥ 𝟎 

gdzie 𝒙 jest wektorem zmiennych decyzyjnych, 𝑨 jest macierzą współczynników warunków ograniczających, 
𝒃 jest wektorem wyrazów wolnych warunków ograniczających, 𝟎 jest wektorem zerowym (𝒂 ≤ 𝒃 oznacza, 
że współrzędne wektora 𝒂 są nie większe, niż odpowiadające im współrzędne wektora 𝒃). 

Przy  kryterium  maksymalizacji,  nieelementarne  warunki  ograniczające  są  nierównościami  typu  „≤” 
(nierówności  typowe),  a  przy  kryterium  minimalizacji  nierównościami  typu  „≥”  (nierówności  typowe). 
Natomiast warunki nieelementarne w obydwu przypadkach zakładają nieujemności zmiennych (nierówności 
typowe). 

Inną ważną postacią zadania programowania liniowego jest postad standardowa, w której wszystkie warunki 
mają postad równości i na wszystkie zmienne decyzyjne nałożony jest warunek nieujemności. Każde zadanie 
w  postaci  klasycznej  można  sprowadzid  do  postaci  standardowej  poprzez  odpowiednie  przekształcenie 
warunków nieelementarnych. 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

20 

Wykłady 2009/2010 

Sprowadzanie do postaci standardowej 

W przypadku warunku: 

𝑔

𝑖

 𝒙  ≤ 𝑏

𝑖

 

Należy do lewej strony dodad zmienną swobodną 𝑥

𝑛+1

𝑔

𝑖

 𝒙  + 𝑥

𝑛+1

= 𝑏

𝑖

 

 

W przypadku warunku: 

𝑔

𝑖

 𝒙  ≥ 𝑏

𝑖

 

Należy od lewej strony odjąd zmienną swobodną 𝑥

𝑛+1

𝑔

𝑖

 𝒙  − 𝑥

𝑛+1

= 𝑏

𝑖

 

 

W pierwszym przypadku zmienną swobodną 𝑥

𝑛+1

 określa się jako zmienną niedoboru, natomiast w drugim 

przypadku zmienną nadmiaru. Zmienna ta również spełnia warunek nieujemności. 

 

Etapy formułowania zadania programowania matematycznego 

1.  Zdefiniowanie zmiennych decyzyjnych 

2.  Ustalenie wielkości parametrów 

3.  Sformułowanie funkcji celu 

4.  Sformułowanie warunków ograniczających 

 

Klasy problemów decyzyjnych 

W zależności od rodzaju problemu decyzyjnego, jego funkcji celu oraz warunków ograniczających będziemy 
rozpatrywad następujące klasy problemów decyzyjnych: 

a)  optymalizacja struktury produkcji 

b)  problem mieszanek 

c)  wybór procesu technologicznego 

 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

21 

Wykłady 2009/2010 

a)  optymalizacja struktury produkcji 

Optymalizacja  struktury  produkcji  polega  na  określeniu  rodzaju  oraz  ilości  wyrobów  jakie  powinno 
produkowad  przedsiębiorstwo  przy  posiadanych  zasobach  produkcji  oraz  innych  ograniczeniach,  aby 
zmaksymalizowad zysk albo przychody ze sprzedaży. 

Przykład. 

Przedsiębiorstwo  MPJ  produkuje  dwa  wyroby  𝑊

1

  i  𝑊

2

,  do  wytwarzania  których  wykorzystuje  dwa 

limitowane surowce 𝑆

1

 i 𝑆

2

. Limity miesięcznego zużycia surowców wynoszą:              𝑆

1

 – 2100 kg , 𝑆

2

 – 2600 

kg. Jednostkowe zużycie tych surowców do produkcji poszczególnych wyrobów podane są w poniższej tabeli. 

 

surowce 

wyroby 

𝑊

1

 

𝑊

2

 

𝑆

1

 

𝑆

2

 

 

Zysk osiągany na jednostce wyrobu 𝑊

1

 wynosi 40 zł, a na jednostce wyrobu 𝑊

2

 wynosi 50 zł. Ile wyrobów 

miesięcznie ma produkowad przedsiębiorstwo, aby osiągnąd maksymalny zysk? 

Zmienne decyzyjne: 

𝑥

1

 – miesięczna produkcja wyrobu 𝑊

1

 (w szt.) 

𝑥

2

 – miesięczna produkcja wyrobu 𝑊

2

 (w szt.) 

 

𝑓 𝑥

1

, 𝑥

2

  = 40𝑥

1

+ 50𝑥

2

→ 𝑚𝑎𝑥 

6𝑥

1

+ 3𝑥

2

≤ 2100  ;          4𝑥

1

+ 4𝑥

2

≤ 2600 

𝑥

1

, 𝑥

2

≥ 0 

 

b)  problem mieszanek 

Problem  mieszanek  polega  na  określeniu  rodzaju  oraz  ilości  surowców  jakie  należy  zakupid,  aby  otrzymad 
produkt o podanym składzie przy możliwie najniższych kosztach zakupu surowców. 

Przykład. 

Racjonalne odżywianie wymaga przyjmowania dwóch składników odżywczych w odpowiednich ilościach: 𝑆

1

 

– co najmniej 2 kg miesięcznie oraz 𝑆

2

 – co najmniej 2,5 kg miesięcznie. Zawartośd tych składników w trzech 

produktach odżywczych przedstawia tabela: 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

22 

Wykłady 2009/2010 

Składniki odżywcze 

Zawartośd składników odżywczych w 1 kg produktu 

𝑃

1

 

𝑃

2

 

𝑃

3

 

𝑆

1

 

0,2 

0,15 

0,1 

𝑆

2

 

0,05 

0,1 

0,2 

 

Wiedząc, że ceny poszczególnych produktów wynoszą: 𝑃

1

 – 30 zł, 𝑃

2

 – 50 zł oraz 𝑃

3

 – 40 zł dobrad optymalne 

ilości produktów, tak aby zminimalizowad koszt stosowania diety. 

 

Zmienne decyzyjne: 

𝑥

1

 – waga produktu 𝑃

1

 (w kg) 

𝑥

2

 – waga produktu 𝑃

2

 (w kg) 

𝑥

3

 – waga produktu 𝑃

3

 (w kg) 

 

𝑓 𝑥

1

, 𝑥

2

, 𝑥

3

  = 30𝑥

1

+ 50𝑥

2

+ 40𝑥

3

→ 𝑚𝑖𝑛 

0,2𝑥

1

+ 0,15𝑥

2

+ 0,1𝑥

3

≥ 2 

0,05 + 0,1𝑥

2

+ 0,2𝑥

3

≥ 2,5 

𝑥

1

, 𝑥

2,

, 𝑥

3

≥ 0 

 

c)  wybór procesu technologicznego 

Wybór  procesu  technologicznego  polega  na  określaniu  skali  zastosowania  możliwych  procesów 
wytwórczych, aby wyprodukowad określone ilości produktów przy możliwie najniższych kosztach. 

Przykład. 

Przedsiębiorstwo  MWM  produkuje  dwa  wyroby  𝑊

1

  i  𝑊

2

,  do  wytwarzania  których  wykorzystuje  cztery 

rodzaje płyt: 𝑃

1

, 𝑃

2

, 𝑃

3

 i 𝑃

4

. Ilośd możliwych do uzyskania wyrobów oraz odpad z poszczególnych rodzajów 

płyt zawiera poniższa tabela: 

 

Wyroby 

Płyty 

𝑃

1

 

𝑃

2

 

𝑃

3

 

𝑃

4

 

𝑊

1

 

𝑊

2

 

Odpad (w m

2

0,3 

0,5 

0,4 

0,6 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

23 

Wykłady 2009/2010 

Dobrad optymalną dostawę płyt potrzebnych do wyprodukowania co najmniej 1500 szt. wyrobu 𝑊

1

 oraz co 

najmniej 2000 szt. wyrobu 𝑊

2

, aby zminimalizowad odpad z wykorzystanych płyt. 

 

Zmienne decyzyjne: 

𝑥

1

 – liczba płyt 𝑃

1

 

𝑥

2

 – liczba płyt 𝑃

2

 

𝑥

3

 – liczba płyt 𝑃

3

 

𝑥

4

 – liczba płyt 𝑃

4

 

 

𝑓(𝑥

1

, 𝑥

2

, 𝑥

3

, 𝑥

4

) = 0,3𝑥

1

+ 0,5𝑥

2

+ 0,4𝑥

3

+ 0,6𝑥

4

→ 𝑚𝑖𝑛 

6𝑥

1

+ 4𝑥

2

+ 3𝑥

3

≥ 1500 

𝑥

1

+ 2𝑥

2

+ 4𝑥

3

+ 6𝑥

4

≥ 2000 

𝑥

1

, 𝑥

2

, 𝑥

3

, 𝑥

4

≥ 0 

 

Metoda geometryczna 

Rozwiązywanie  zadao  programowania  liniowego  metodą  geometryczną,  polega  na  wyznaczeniu  w 
skonstruowanym graficznie zbiorze rozwiązao dopuszczalnych punktu lub punktów, dla których funkcja celu 
przyjmuje  wartości  najkorzystniejsze  (minimalne  lub  maksymalne).  Punkt  (punkty)  ten  nosi  nazwę  punktu 
optymalnego. 

Metodę graficzną można zastosowad do rozwiązywania zadao z co najwyżej trzema zmiennymi decyzyjnymi. 
Wiąże się to z koniecznością wykorzystywania przestrzeni dwuwymiarowych, ewentualnie trójwymiarowych. 

Tworząc  przestrzeo  decyzji  dopuszczalnych  𝐷,  należy  zobrazowad  każdy  z  warunków  w  układzie 
współrzędnych. W przypadku układów dwuwymiarowych odwzorowaniem warunku jest: 

a)  prosta dla równości 

b)  półpłaszczyzna z prostą ograniczającą dla nierówności słabych 

c)  półpłaszczyzna bez prostej ograniczającej dla nierówności ostrych 

Częśd wspólna dla wszystkich warunków ograniczających tworzy zbiór decyzji dopuszczalnych 𝐷. 

Izokwantą  funkcji  celu  jest  prosta,  zawierająca  punkty  o  tej  samej  wartości  funkcji  celu  𝑐

1

𝑥

1

+ 𝑐

2

𝑥

2

= 𝑧. 

Należą do niej wszystkie argumenty, dla których wartośd funkcji celu wynosi 𝑧. 

Gradient  jest  wektorem  wskazującym  kierunek  wzrostu  wartości  funkcji  celu  [𝑐

1

, 𝑐

2

]  (izokwanta  jest 

prostopadła do gradientu). Z kolei wektor przeciwny do gradientu wskazuje kierunek spadku  wartości funkcji 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

24 

Wykłady 2009/2010 

celu. Jeśli funkcja celu dąży do maksimum, przesuwamy izokwantę zgodnie z gradientem; gdy do minimum, 
w kierunku przeciwnym do gradientu. 

 

Rozwiązanie zadania programowania liniowego stanowi punkt lub punkty zbioru 𝐷 należące do izokwanty o 
najmniejszej  wartości  𝑧  (dla  minimum)  lub  największej  (dla  maksimum).  Inaczej  mówiąc,  rozwiązaniem 
zadania programowania liniowego jest punkt lub punkty należące do najwyżej (dla maksimum) lub najniżej 
(dla minimum) położonej izokwanty znajdujące się w zbiorze 𝐷. 

Jeżeli  zadanie  programowania  liniowego  ma  rozwiązanie  optymalne,  to  znajduje  się  ono  w  co  najmniej 
jednym wierzchołku zbioru 𝐷. 

Rozwiązanie zadania programowania liniowego jest jednym z następujących przypadków: 

a)  zbiór pusty, gdy zbiór 𝐷 jest pusty lub funkcja celu nie jest ograniczona z góry (dołu) na zbiorze 𝐷: 

𝐷

𝑜𝑝𝑡

= ∅ 

b)  jedno rozwiązanie, którym jest wierzchołek zbioru 𝐷: 

𝐷

𝑜𝑝𝑡

=  𝑑

1

𝑑

2

 

𝑇

 

c)  nieskooczenie wiele rozwiązao, które stanowi odcinek łączący dwa wierzchołki 𝑑

1

 i 𝑑

2

 zbioru 𝐷 

𝐷

𝑜𝑝𝑡

= { 𝑑

𝑜𝑝𝑡

= 𝜆𝑑

1

+  1 − 𝜆 𝑑

2

  ∶   𝜆 ∈ < 0,1 > } 

d)  lub  półprosta  wychodząca  z  wierzchołka  𝑑  zbioru  𝐷  w  kierunku  wektora  𝑕  (wyznacza  on  kierunek 

półprostej ograniczającej zbioru 𝐷 wychodzącej z punktu 𝑑): 

𝐷

𝑜𝑝𝑡

= { 𝑑

𝑜𝑝𝑡

= 𝑑 + 𝜆𝑕  ∶   𝜆 ∈ < 0, +∞ > } 

 

Przykład (cd.) 

a)  optymalizacja struktury produkcji 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

25 

Wykłady 2009/2010 

𝑑

𝑜𝑝𝑡

=  

0

650

  

𝑓 𝑑

𝑜𝑝𝑡

  = 32500 

 

Metoda Simpleks 

Opracowana  przez  G.  B.  Dantziga  metoda  rozwiązywania  zadao  programów  liniowych.  Polega  ona  na 
poszukiwaniu  rozwiązao  optymalnych  poprzez  badanie  sąsiednich  bazowych  rozwiązao  dopuszczalnych  w 
taki  sposób, aby kolejne rozwiązane  było nie  gorsze od poprzedniego pod względem wartości funkcji celu. 
Postępowanie kooczy się w momencie wyznaczenia rozwiązania optymalnego lub stwierdzenia o braku jego 
istnienia. Algorytm Simpleks jest procedurą etapową, a wyniki w kolejnych krokach różnią się od siebie. 

Podstawą procedury  jest program liniowy w postaci standardowej: 

𝑐

𝑇

𝑥 → 𝑚𝑎𝑥 

𝐴𝑥 = 𝑏 

𝑥 ≥0 

 

Postad bazowa programu liniowego występuje w sytuacji gdy macierz 𝐴 jest w postaci bazowej, czyli wśród 
jej  kolumn  znajduje  się  𝑚  kolumn  będących  liniowo  niezależnymi  wektorami  jednostkowymi.  Z  kolei  jeżeli 
wektor  wyrazów  wolnych  𝑏  ma  nieujemne  współrzędne  oznacza  to,  że  mamy  do  czynienia  z  postacią 
dopuszczalną. Spełnienie obu warunków daje dopuszczalną postad bazową zadania. 

Macierz 𝐴 dzieli się na dwa bloki 𝐵 i 𝑃: 

𝐴 =  𝐵 𝑃  

 

W  macierzy  𝐵  znajduje  się  𝑚  liniowo  niezależnych  kolumn  macierzy  𝐴 = (𝑎

𝑗 1

, … , 𝑎

𝑗𝑚

)

Macierz  𝑃  tworzą 

pozostałe kolumny macierzy 𝐴 = (𝑎

𝑗𝑛 +1

, … , 𝑎

𝑗𝑛

). Macierz 𝐵 nazywana jest macierzą bazową lub bazą. 

Zbiór indeksów zmiennych bazowych 𝐵 = (𝑗

1

, … , 𝑗

𝑚

) nazywamy zbiorem bazowym. 

 

Analogiczny podział macierzy 𝐴 na bloki 𝐵 i 𝑃, dzieli wektor zmiennych 𝑥 na dwie części 𝑥

𝐵

 𝑖 𝑥

𝑃

 : 

𝑋 =  

𝑥

𝐵

𝑥

𝑃

  

𝑋

𝐵

=  𝑥

𝑗 1

… … … 𝑥

𝑗𝑚

 

T

 

𝑋

𝑃

=  𝑥

𝑗 𝑚 +1

… … … 𝑥

𝑗𝑚

 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

26 

Wykłady 2009/2010 

oraz wektor współczynników funkcji celu 𝑐 na 𝑐

𝐵

 i 𝑐

𝑃

𝑐 =  

𝑥

𝐵

𝑥

𝑃

  

𝑐

𝐵

=  𝑥

𝑗 1

… … … 𝑥

𝑗𝑚

 

T

 

𝑐

𝑃

=  𝑥

𝑗 𝑚 +1

… … … 𝑥

𝑗𝑚

 

 

Po powyższych przekształceniach układ nieelementarny warunków ograniczających można zapisad: 

 𝐵 𝑃   

𝑥

𝐵

𝑥

𝑃

    ,      𝐵𝑥

𝐵

+ 𝑃𝑥

𝑃

= 𝑏 

Jeżeli podstawimy 𝑥

𝑃

= 0 otrzymamy rozwiązanie bazowe programu liniowego: 

𝑥

𝐵

𝐵

=  

𝑥

𝐵

𝑥

𝑃

  =  𝐵

−1

𝑏

0

  

Zmienne  wchodzące  w  skład  wektora  𝑥

𝐵

  określa  się  zmiennymi  bazowymi,  a  pozostałe  zmienne  tworzące 

wektor 𝑥

𝑃

 zmiennymi niebazowymi. 

Bazowym  rozwiązaniem  dopuszczalnym  zadania  PL  nazywamy  rozwiązanie  bazowe,  które  spełnia  warunek 
nieujemności zmiennych bazowych. 

𝐵

−1

𝑏 ≥ 0 

 

Rozwiązanie  bazowe  𝑥

𝐵

  określa  się  jako  niezdegradowane,  jeżeli  wszystkie  zmienne  bazowe mają wartośd 

różną  od  zera;  jeżeli  co  najmniej  jedna  zmienna  bazowa  jest  równa  zero  to  rozwiązanie  nazywamy 
zdegradowanym. 

Dwa  rozwiązania  bazowe  nazywamy  sąsiednimi  jeżeli  różnią  się  dokładnie  jedną  zmienną  bazową  i  w 
konsekwencji jedną zmienną niebazową. 

Wektor  𝑥

𝐵

 

jest  bazowy  rozwiązaniem  dopuszczalnym  wtedy  i  tylko  wtedy  gdy  jest  wierzchołkiem  zbioru 

rozwiązao dopuszczalnych 𝐷. 

Warunkiem  wystarczającym  optymalności  bazowej  rozwiązania  dopuszczalnego  𝑥

𝐵

 odpowiadającym 

macierzy bazowej 𝐵 jest: 

 𝑐

𝑃

𝑇

− 𝑐

𝑃

𝑇

𝐵

−1

𝑃 ≤ 0

𝑇

 

𝐻

𝑃

= 𝐵

−1

𝑃                                     𝑐

𝑝

− 𝑧

𝑃

≤ 0 

𝑧

𝑃

𝑇

= 𝑐

𝐵

𝑇

𝐵

−1

 

Po wprowadzeniu analogicznych oznaczeo dla części bazowej: 

𝐻

𝐵

= 𝐵

−1

𝐵 = 𝐼  𝑖  𝑧

𝐵

𝑇

= 𝑐

𝐵

𝑇

𝐻

𝐵

= 𝑐

𝐵

𝑇

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

27 

Wykłady 2009/2010 

Po wyznaczeniu analogicznego wyrażenia 

𝑐

𝐵

− 𝑧

𝐵

= 0 

Oraz połączeniu oznaczeo dla części bazowej i niebazowej: 

𝑧

𝐵

=  

𝑧

𝐵

𝑧

𝑃

                 𝐻

𝐵

=  𝐻

𝐵

𝐻

𝑃

  

Można  zapisad  warunek  dostateczny  optymalności  bazowej  rozwiązania  dopuszczalnego  𝑥

𝐵

 

odpowiadającego macierzy bazowej B 

𝑐 − 𝑧

𝐵

≤ 0  𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑦 𝑤𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟𝑎 𝑐 − 𝑧

𝐵

: 𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

𝐵

=𝑐

𝑗

− 𝑐

𝐵

𝑇

𝑕

𝑗

 

Gdzie  𝑕

𝑗

  oznacza  kolumnę  macierzy  𝐻

𝐵

  odpowiadającą  zmiennej  𝑥

𝑗

,  𝑐

𝑗

  to  współczynniki  funkcji  celu  przy 

zmiennej 𝑥

𝑗

  

nazywane współczynnikami optymalności. 

Ponieważ  wskaźnik  optymalności  przy  zmiennych  bazowych  jest  równy  0,  a  więc  badanie  optymalności 
bazowego rozwiązania dopuszczalnego, polega na sprawdzeniu czy wskaźniki optymalności przy zmiennych 
niebazowych są niedodatnie 

𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

𝐵

≤ 0  𝑑𝑙𝑎 𝑗 ∉ 𝐵 

Bazowe rozwiązanie dopuszczalne 𝑥

𝐵

 jest rozwiązaniem optymalnym, gdy wszystkie wskaźniki optymalności 

są niedodatnie:  𝑐 − 𝑧

𝐵

≤ 0 

Bazowe rozwiązanie dopuszczalne będące rozwiązaniem optymalnym nazywane jest bazowym rozwiązaniem 
optymalnym. 

Bazowe rozwiązanie dopuszczalne 𝑥

𝐵

 jest jedynym rozwiązaniem optymalnym, gdy wskaźniki optymalności 

zmiennych niebazowych są ujemne 

𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

𝐵

< 0  𝑑𝑙𝑎 𝑗 ∉ 𝐵 

Jeżeli  dla  zmiennej  nie  bazowej  𝑥

𝑘

  wskaźnik  optymalności  przyjmuje  wartości  dodatnie,  oznacza  to  że 

zwiększenie wartości tej zmiennej o jedną jednostkę spowoduje przyrost wartości funkcji celu o 𝑐

𝑘

− 𝑧

𝑘

𝐵

 . Z 

kolei wartośd ujemna wskaźnika optymalności informuje o poziomie spadku wartości funkcji celu. 

W  metodzie  Simpleks  ważną  rolę  odgrywa  macierz   𝐴 𝑏   oraz  wyznaczona  na  jej  podstawie  przez    ciąg 
operacji  elementarnych  macierz   𝐻

𝐵

𝑕

0

𝐵

   ostatnia  kolumna  tej  macierzy  zawiera  wektor  wartości 

zmiennych bazowych x

B

 odpowiadających bazie B, który oblicza się następująco: 

𝑕

0

𝐵

=𝐵

−1

𝑏 

 

Przy tych oznaczeniach bazowe rozwiązanie zapisuje się : 

𝑥

𝐵

=  

𝑥

𝐵

𝑥

𝑃

 =  𝑕

0

𝐵

0

  

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

28 

Wykłady 2009/2010 

Wartośd funkcji celu dla bazowego rozwiązania dopuszczalnego 𝑥

𝐵

 można wyznaczyd: 

𝑓 𝑥

𝐵

  = 𝑐

𝐵

𝑇

𝑥

𝐵=

𝑐

𝐵

𝑇

𝑕

0

𝐵

 

 

Obliczenia w metodzie Simpleks prezentowane są w tablicy simpleksowej: 

𝑐

𝐵

 

𝑐

𝑗

 

Zmienne 

bazowe 

𝑐

1

, 𝑐

2

, … , 𝑐

𝑛

 

𝑥

𝐵

 

𝑥

1

, 𝑥

2

, … , 𝑥

𝑛

 

𝑐

𝐵

 

Nazwa 

zmiennych

 

𝐻

𝐵

 

𝑕

0

𝐵

 

𝑧

𝑗

𝐵

 

𝑧

𝐵

 

𝑐

𝐵

𝑇

𝑕

0

𝐵

 

𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

𝐵

 

𝑐 − 𝑧

𝐵

 

 

W kolejnych tablicach simpleksowych kolumny macierzy 𝐻

𝐵

  

zapisuje się wg kolejności zmiennych 

Jeżeli  sprowadzenie  zadania  PL  do  postaci  standardowej  wymaga  aby  w  𝑖-tym  warunku  nieelementarnym 
𝑎

𝑖1

𝑥

1

+ 𝑎

𝑖2

𝑥

2

…..+𝑎

𝑖𝑛

𝑥

𝑛

≤ 𝑏

𝑖

 dodana została zmienna swobodna 𝑥

𝑛+1

 

𝑎

𝑖1

𝑥

1

+ 𝑎

𝑖2

𝑥

2

…..+𝑎

𝑖𝑛

𝑥

𝑛

+ 𝑥

𝑛+1

= 𝑏

𝑖

 

to zmienna swobodna wprowadzana jest do pierwszej bazy. 

Jeżeli  potrzebne  jest  aby  w  𝑖-tym  warunku  nieelementarnym  𝑎

𝑖1

𝑥

1

+ 𝑎

𝑖2

𝑥

2

…..+𝑎

𝑖𝑛

𝑥

𝑛

≤ 𝑏

𝑖

  odjęta  została 

zmienna swobodna 𝑥

𝑛+1

𝑎

𝑖1

𝑥

1

+ 𝑎

𝑖2

𝑥

2

…..+𝑎

𝑖𝑛

𝑥

𝑛

− 𝑥

𝑛+1

= 𝑏

𝑖

 

 oraz w macierzy 𝐴 nie można wyodrębnid m niezależnych liniowo kolumn, otrzymanie dopuszczalnej postaci 
bazowej wymaga wprowadzenia zmiennej sztucznej 𝑆

𝑗

:  

𝑎

𝑖1

𝑥

1

+ 𝑎

𝑖2

𝑥

2

…..+𝑎

𝑖𝑛

𝑥

𝑛

− 𝑥

𝑛+1

+ 𝑆

𝑖

= 𝑏

𝑖

 

zmienna ta również wprowadzana jest do pierwszej bazy. 

Ponieważ  zmienne  sztuczne  nie  posiadają  interpretacji  dlatego  nie  mogą  znaleźd  się  w  koocowym 
rozwiązaniu zadania PL. Sytuacja taka będzie miała miejsce jeżeli będą one równe 0. Osiąga się to poprzez 
wprowadzenie  do  funkcji  celu  z  kryterium  maksymalizacji  zmiennych  sztucznych  ze  współczynnikiem  −𝑀, 
gdzie 𝑀 jest bardzo dużą liczbą 𝑀 → ∞. Powoduje to, że funkcja celu jest sztucznie zaniżana i dzięki temu 
zmienne te nie znajdą się w zbiorze bazowym.  Natomiast do funkcji celu z kryterium minimalizacji zmienne 
sztuczne wprowadza się ze współczynnikiem +𝑀. 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

29 

Wykłady 2009/2010 

W sytuacji gdy 𝑖-ty warunek nieelementarny jest równością: 

𝑎

𝑖1

𝑥

1

+ 𝑎

𝑖2

𝑥

2

…..+𝑎

𝑖𝑛

𝑥

𝑛

= 𝑏

𝑖

 

i w macierzy 𝐴 nie można wyodrębnid m niezależnych liniowo kolumn, wprowadza się również zmienną 
sztuczną 𝑆

𝑗

𝑎

𝑖1

𝑥

1

+ 𝑎

𝑖2

𝑥

2

…..+𝑎

𝑖𝑛

𝑥

𝑛

+ 𝑆

𝑗

= 𝑏

𝑖

 

którą umieszcza się w pierwszej bazie. 

Dzięki wprowadzeniu zmiennych swobodnych i sztucznych macierz 𝐴 zawiera 𝑚 liniowo niezależnych 
kolumn jednostkowych co sprawia, że znajduje się ona w postaci bazowej. 

Przykład: 

3𝑥

1

+ 2𝑥

2

→ 𝑚𝑎𝑥 

4𝑥

1

+ 𝑥

2

≤ 5 

2𝑥

1

+ 5𝑥

2

≥ 2 

𝑥

1

, 𝑥

2

≥ 0 

Sprowadzenie do postaci standardowej: 

4𝑥

1

+ 𝑥

2

+ 𝑥

3

= 5 

2𝑥

1

+ 5𝑥

2

− 𝑥

4

+ 𝑆

2

= 2 

𝑥

1

, 𝑥

2

, 𝑥

3

, 𝑥

4

, 𝑆

2

≥ 0 

3𝑥

1

+ 2𝑥

2

− 𝑀𝑆

2

→ 𝑚𝑎𝑥 

 

C

C

J

 

Zm. bazowe 

-M 

X

𝑥

1

 

𝑥

2

 

𝑥

3

 

𝑥

4

 

𝑆

2

 

𝑥

3

 

-M 

𝑆

2

 

-1 

𝑧

𝑗

𝐵

 

-2M 

-5M 

-M 

-2M 

𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

𝐵

 

3+2M 

2+5M 

-M 

 

-
-
-
-
-
-
-
b
n
v
g
f
h
f
g
h
-

=

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

30 

Wykłady 2009/2010 

Jeżeli bazowe rozwiązanie dopuszczalne 𝑥

𝐵

 nie jest rozwiązaniem optymalnym wyznacza się kolejne bazowe 

rozwiązanie dopuszczalne i sprawdza się jego optymalnośd. W tym celu należy ustalid zmienną nie bazową, 
która będzie dołączona do zbioru zmiennych bazowych a następnie wskazad zmienną bazową, która zostanie 
usunięta z tego zbioru. 

Określenie  zmiennej  𝑥

𝑠

,  którą  należy  wprowadzid  do  zbioru  bazowego  odbywa  się  przy  użyciu  wskaźnika 

optymalności.  Jeżeli  maksymalizuje  się  funkcje  celu,  właściwą  zmienną  jest  ta,  dla  której  wskaźnik  jest 
największy: 

𝑥

𝑠

: 𝑐

𝑠

− 𝑧

𝑠

= 𝑚𝑎𝑥   𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

: 𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

> 0  

Oznacza to, że wprowadzenie wybranej zmiennej w największym stopniu przyczynia się do wzrostu wartości 
funkcji. 

Jeżeli funkcja celu jest minimalizowana, to w kryterium wejścia wybiera się tą zmienną dla której  wskaźnik 
jest najmniejszy: 

𝑥

𝑠

: 𝑐

𝑠

− 𝑧

𝑠

= 𝑚𝑖𝑛   𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

: 𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

< 0  

W tym przypadku wprowadzenie wybranej zmiennej do zbioru bazowego w największym stopniu przyczynia 
się do spadku wartości funkcji. 

Wyznaczanie zmiennej 𝑥

𝑟

, którą należy usunąd ze zbioru bazowego, rozstrzyga się następująco: 

𝑥

𝑟

:

𝑕

𝑟0

𝑕

𝑟𝑠

= 𝑚𝑖𝑛  

𝑕

𝑖0

𝑕

𝑖𝑠

 

: 𝑕

𝑖𝑠

> 0  

 𝑕

𝑖0

 to wartośd zmiennej bazowej znajdująca się w 𝑖-tym wierszu 

𝑕

𝑖𝑠

  jest    elementem macierzy  𝐻  znajdująca  się  w  𝑖-tym wierszu  i  𝑠-tej  kolumnie odpowiadającej  zmiennej 

niebazowej 𝑥

𝑠

 wybranej zgodnie z kryterium wyjścia. 

Po zastosowaniu obydwu warunków dokonujemy wprowadzenia jednej zmiennej  𝑥

𝑠

   do zbioru bazowego w 

miejsce zmiennej 𝑥

𝑟

. Element znajdujący się na skrzyżowaniu wiersza zmiennej 𝑥

𝑟

 oraz kolumny 𝑥

𝑠

 określa 

się  jako  element  centralny.  Doprowadzenie  do  nowej  postaci  bazowej  zadanie  wymaga  wykonania 
odpowiednich  operacji  elementarnych  na  wierszach  macierzy   𝐻

𝐵

𝑕

0

𝐵

   które  doprowadzą  do  uzyskania 

wektora  jednostkowego  w  kolumnie  𝑆  przy  zachowaniu  wektorów  jednostkowych  przy  pozostałych 
zmiennych bazowych. 

W przypadku gdy dla danego bazowego rozwiązania dopuszczalnego 𝑥

𝐵

 istnieje taka zmienna niebazowa 𝑥

𝑘

dla  której  spełniona  jest  nierównośd:    𝑕

𝑘

𝐵

< 0  to  zbiór 𝐷  jest nieograniczony,  a  wektor wyznacza  kierunek 

nieskooczonej krawędzi wychodzącej z wierzchołka odpowiadającego obszarowi BRP. 

Jeżeli dodatkowo dla tej zmiennej jest spełniony warunek: 𝑐

𝑘

− 𝑧

𝑘

𝐵

> 0 to funkcja jest nieograniczona z góry. 

W sytuacji gdy dla danego bazowego rozwiązania optymalnego 𝑥

𝐵

 wskaźnik optymalności co najmniej jednej 

zmiennej niebazowej jest równy 0 oznacza to, że zadanie ma więcej niż jedno rozwiązanie optymalne. 

 

background image

Dr Arkadiusz Kijek 
Ekonometria 

31 

Wykłady 2009/2010 

W przypadku gdy bazowe rozwiązanie optymalne 𝑥

𝐵

 zadanie, w którym występują zmienne sztuczne zawiera 

te zmienne to zadanie jest sprzeczne. 

 

 

Zapisanie postaci 

standardowej 

Początkowe BRD 

Wyznaczenie 

wskaźników 

optymalności 

𝒄 − 𝒛 ≤ 𝟎 

TAK

 

 

NIE 

BRD zawiera 

zmienne sztuczne 

𝑐

𝑗

− 𝑧

𝐵

> 0 

𝑕

𝑗

𝐵

≤ 0 

 

NIE 

Zadanie 

sprzeczne 

𝑐

𝑗

− 𝑧

𝑗

𝐵

< 0 

TAK

 

 

NIE 

Jednoznaczne 

rozwiązanie 

optymalne 

Niejednoznaczne 

rozwiązanie 

optymalne 

Funkcja celu 

nieograniczona 

z góry 

Zastosowanie 

kryterium 

wejścia i wyjścia 

NIE 

TAK

 

 

Konsultacje 

kolejnej BRD 

TAK